毕业设计(论文)-FIR数字滤波器设计及实现.doc
《毕业设计(论文)-FIR数字滤波器设计及实现.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业设计(论文)-FIR数字滤波器设计及实现.doc(33页珍藏版)》请在三一文库上搜索。
1、目录FIR数字滤波器设计及实现目 录摘要iAbstractii引言1第1章 概述2 1.1 数字滤波器简介 2 1.2 FIR数字滤波器的基本原理和结构3 1.3 FIR数字滤波器的设计方法3 第2章 FIR数字滤波器的设计 42.1 用窗函数法设计FIR滤波器42.1.1 窗函数法的原理42.1.2 常用窗函数52.1.3 窗函数法设计的基本步骤92.2 FIR数字滤波器的设计和性能分析92.2.1 用MATLAB仿真工具进行滤波器设计9 2.2.2 程序运行结果及性能分析10第3章 FIR数字滤波器的DSP实现143.1 系数对称FIR滤波器的实现方法143.2 建立DSP汇编程序的FIR
2、数字滤波器系数文件153.3 产生输入信号序列163.4 CCS5000编译、调试及仿真结果17 3.5 DSP硬件调试24结论27致谢28参考文献 29引言引言数字信号处理技术及其应用,目前正以惊人的速度向前发展着。随着大规模集成电路的出现和数字部件的成本下降、体积缩小及运算速度提高,数字信号处理的应用日益广泛。数字滤波是数字信号处理的基本方法。而数字滤波器是数字信号处理中最重要的组成部分之一,几乎出现在所有的数字信号处理系统中。数字滤波器大略可分为有限冲激响应型(FIR)和无限冲激响应型(IIR)两类,可用硬件和软件两种方式实现。在硬件实现方式中,它由加法器、乘法器等单元组成,这与电阻器、
3、电感器和电容器所构成的模拟滤波器完全不同,而软件上可以借助MATLAB来仿真。而FIR滤波器是一种常用的滤波器,能实现各种各样的功能,诸如低通滤波、带通滤波、抗混叠、抽样和内插等。在设计任意幅频特性的同时能够保证严格的线性相位特性。因此,它在图像处理以及数据传输、无线通信等数字信号处理中有着广泛的应用。DSP是一种专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器。用可编程DSP芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性,主要应用于实时快速地实现各种信号的数字处理算法。用DSP芯片实现数字滤波具有稳定性好、精确度高、不受环境影响等优点外,还具有灵活性强等特
4、点。本文利用窗函数法,并借助MATLAB程序设计语言,设计FIR数字滤波器。基于TMS320VC54097芯片的数字信号处理功能,编写DSP汇编语言程序,采用循环寻址模式实现该滤波器。通过使用CCS应用软件进行仿真,可以观察到该滤波器的滤波效果,最终在TDS-510并口开发系统和DSP5409评估板上实现了该滤波器。第1章 概述第1章 概述随着信息时代和数字世界的到来,数字信号处理已成为当今一门极其重要的学科和技术领域。数字滤波是谱分析、雷达信号处理、通信信号处理应用中的基本处理算法。与模拟滤波相比,数字滤波有很多优点,例如它可以满足滤波器对幅度和相位特性的严格要求,可以避免模拟滤波器无法克服
5、的电压漂移、温度漂移和噪声等问题。用可编程DSP芯片实现数字滤波可通过修改滤波器的参数十分方便地改变滤波器的特性。 1.1 数字滤波器简介数字滤波器的功能就是把输入序列通过一定的运算变换成输出序列,因此数字滤波器的结构系统中就必须包括一定数量和性能的运算器件和运算单元,而运算器件和运算单元的配置必须由数字滤波器的结构特点和性能特点来决定。在现代电子系统中,数字滤波器的好坏对相关的众多工程技术领域影响很大,一个好的数字滤波器会有效的推动众多工程技术领域的技术改造和学科发展。数字滤波器依据冲激响应的宽度划分为有限冲激响应(FIR)滤波器和无限冲激响应滤波器(IIR)。FIR 滤波器在数字通信系统中
6、被大量使用,以实现各种各样的功能,诸如低通滤波、带通滤波、抗混叠、抽样和内插等等。FIR数字滤波器以其良好的线性特性被广泛使用,属于数字信号处理的基本模块之一。它涉及的领域很广,如:通信系统、系统控制、生物医学工程、机械振动、遥感遥测、地质勘探、航空航天、电力系统、故障检测、自动化仪器等。与IIR数字滤波器相比,它的最大优点就是可以实现线性相位滤波,而IIR主要是针对幅频特性进行逼近,相频特性会存在不同程度的非线性。在数字通信和图像传输与处理等应用场合都要求滤波器具有线性相位特性。许多工程技术领域都涉及到信号,这些信号包括电的、磁的、机械的、热的、声的、光的及生物体的等等。如何在较强的背景噪声
7、和干扰信号下提取出真正的信号并将其用于实际工程,这正是信号处理要研究解决的问题。20世纪60年代,数字信号处理理论得到迅猛发展,理论体系和框架逐渐趋于成熟,到现在它己经成长为一门独立的数字信号处理学科。数字滤波器它可以将输入信号的某些频率成分或某个频带进行压缩,放大,从而改变输入信号的频谱结构,因此也可以说是个频率选择器。另外滤波的概念还包括对信号进行检测和参数估计。数字滤波是提取有用信息非常重要、非常灵活的方法,是现代信号处理的重要内容。因而在数字通信、语音图像处理、谱分析、模式识别、自动控制等领域得到了广泛的应用。相对于模拟滤波器,数字滤波器没有漂移,能够处理低频信号,频率响应特性可做成非
8、常接近于理想的特性,且精度可以达到很高,容易集成等,这些优势决定了数字滤波器的应用将会越来越广泛.1.2 FIR数字滤波器的基本原理和结构 设h(n)(n=0,1,2,N一1)为滤波器的冲激响应,输入信号为x(n),则滤波器FIR就是要实现差分方程: (1-1) 公式(1-1)就是FIR滤波器的差分方程。N为滤波器的阶数。它的单位脉冲响应h(n)是一个有限长序列。由上面的方程可见,FIR滤波算法实际上是一种乘法累加运算,它不断地输入样本x(n),经延时(z-1),做乘法累加,再输出滤波结果y(n)4,5,6。对公式(1-1)进行z变换,整理后可得FIR滤波器的传递函数为 (1-2)从公式(1-
9、2)可以看出,FIR滤波器的一般结如图1-1所示:图1-1 FIR滤波器的结构图 由公式(1-1)、公式(1-2)可见H(z)为z-1的N-1阶多项式,它在z平面上有N-1个零点并在原点z=0处有N-1重极点。故H(z)永远为稳定系统。所以FIR滤波器具有如下特点: 给h(n)附加一定条件就可以实现严格的线性相位特性; FIR滤波器的稳定性,在设计过程中不必考虑系统的稳定性问题; 由于h(n)为有限长,便于采用FFT进行系统运算,运算效率高; FIR滤波器的阶数由h(n)的长度决定,所以一个具有良好的幅频特性的FIR滤波器的阶数往往都比较高。1.3 FIR数字滤波器的设计方法使用FIR滤波器可
10、以实现严格的线性相位特性,但其幅频特性的设计方法与IIR滤波器完全不同。FIR滤波器的设计方法有:窗函数法、频率采样法、切比雪夫等波纹逼近法等。FIR数字滤波器的设计思想是:在保证线性相位条件的前提下,选择合适的h(n)长度,使其传输函数H(ej)满足技术指标要求。本文采用窗函数法设计FIR数字滤波器。第2章 FIR数字滤波器的设计第2章 FIR数字滤波器的设计MATLAB是一套用于科学计算的可视化高性能语言与软件环境。它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体,构成了一个界面友好的用户环境。它的信号处理工具箱包含了各种经典的和现代的数字信号处理技术,是一个非常优秀的算法研究与辅助设计的
11、工具。在设计数字滤波器时,通常采用MATLAB来进行辅助设计和仿真。12.1 用窗函数法设计FIR滤波器2.1.1 窗函数法的原理窗函数设计法的基本思想是要选取某一适合的具有理想频率特性的滤波器,然后将它的脉冲响应截断以得到一个线性相位和因果的FIR滤波器。因此,这种方法的重点在于选择某种恰当的窗函数和一种合适的理想滤波器。设所希望得到的滤波器的理想响应为 (2-1)那么FIR滤波器的设计就是在于寻找一个传递函数H(ej): (2-2)用H(ej)去逼近Hd(ej),设 (2-3)由于Hd(ej)的矩形频率特性,故hd(n)一定是无限长的序列,而且是非因果的。要设计的FIR滤波器其h(n)必然
12、是有限长的,所以要用有限长的h(n)来逼近无限长的hd(n),最有效的方法是截断hd(n),或者说用一个有限长的窗口函数序列w(n)来截取hd(n),即 (2-4)窗口函数相当于对hd(n)在时域上截取一段,势必造成频域的矩形窗口的失真,结果就是截取出的信号也相应失真。为了补偿这种失真,只有改变原来窗口的形状,修正经过时域截取后的窗口失真。改善窗口函数的标准: (1) 尽量减少窗口频谱的旁瓣,使能量集中在主瓣中,以减少波动的幅度和次数,提高阻带衰减。这样,主瓣就不能太窄。 (2) 主瓣的宽度应尽量窄,以得到尽量窄的过渡带; 因而,窗口函数序列的形状及长度选择是很关键。在设计过程中,可由所设计滤
13、波器的过渡带宽和阻带最小衰减的要求选定窗函数w(n)的形状。归一化窗函数常用的三个频域指标9(如图2-1所示): 3db带宽B 最大旁瓣值A(db) 旁瓣谱峰渐进衰减D 一个理想的窗函数应该具有最小的B和A及最大的D。图2-1 窗函数的幅度响应分贝图2.1.2 常用窗函数常用的窗函数可以分为六种:矩形窗、三角形窗、汉宁窗、汉明窗、布莱克曼窗、凯塞贝赛窗。下面简单的介绍这六种窗。(1) 矩形窗(Rectangle Window) (2-5)其频率响应为 (2-6)WR(ej)的主瓣宽度为B=4/N,第一副瓣比主瓣低13db。即A=-13db。旁瓣谱峰渐进衰减速度为D=-6db/oct。(2) 三
14、角形窗(Bartlett Window) (2-7)其频率响应为 (2-8)WBr(ej)的主瓣宽度为B=8/N,第一副瓣比主瓣低27db。即A=-27db。旁瓣谱峰渐进衰减速度为D=-12db/oct。(3) 汉宁(Hanning)窗升余弦窗 (2-9)或 (2-10) (2-11)其中 (2-12)由于频谱是由三个互有频移的不同幅值的矩形窗函数相加而成,这样使旁瓣大大抵消,从而能量相当有效地集中在主瓣内。其代价:主瓣加宽一倍,可达到减小峰值,余振,提高阻带衰减的目的。缺点:过度带加大。W(ej)的主瓣宽度为B=8/N,第一副瓣比主瓣低32db。即A=-32db。旁瓣谱峰渐进衰减速度为D=-
15、18db/oct。(4) 汉明(Hamming)窗改进的升余弦窗 (2-13)其频域函数WHm(ej)为 (2-14)其幅域函数WHm()为 (2-15)当N1时,可近似表示为 (2-16)这种改进的升余弦窗,能量更加集中在主瓣中,主瓣的能量约占99.96%,第一旁瓣的值比主瓣小43dB,即A=-43dB,但主瓣宽度和汉宁窗相同,即B=8/N,旁瓣谱峰渐近衰减速度为D=-6dB/oct。(5) 布莱克曼(Blackman)窗二阶升余弦窗 (2-17)其频域函数为 (2-18)其幅度函数为 (2-19)其幅度函数由五部分组成,它们都是移位不同,且幅度也不同的WR()函数,使旁瓣再进一步抵消。阻带
16、衰减进一步增加,这样可以得到更低的旁瓣,但主瓣宽度却不得不加宽到矩形窗的3倍,即B=12/N,第一旁瓣的值比主瓣小58dB,即A=-58dB,旁瓣谱峰渐近衰减速度为D=-18dB/oct。(6) 凯塞贝塞尔窗(Kaiser-Basel Window) 以上几种窗函数是各以一定主瓣加宽为代价,来换取某种程度的旁瓣抑制,而凯塞窗则是:全面地反映主瓣与旁瓣衰减之间的交换关系,可以在它们两者之间自由地选择它们的比重。凯塞窗是由零阶第一类贝塞尔函数组成: (2-20)式中 (2-21)Io(x)是零阶第一类修正贝塞尔函数,可用下面级数计算: (2-22)一般Io(x)取1525项,便可以满足精度要求。参
17、数可以控制窗的形状。一般加大,主瓣加宽,旁瓣幅度减小,典型数据为49。当=5.44时,窗函数接近汉明窗。=7.865时,窗函数接近布莱克曼窗。凯塞窗的幅度函数为 (2-23) 常用的窗函数的幅度特性如图2-2所示,其中(a)为矩形窗,(b) 三角形窗,(c)汉宁窗,(d)汉明窗,(e) 布莱克曼窗图2-2 常用的窗函数的幅度特性理想低通加窗后的幅度特性(N=51,c=0.5)如图2-3所示。图2-3 理想低通加窗后的幅度特性(N=51,c=0.5)2.1.3 窗函数法设计的基本步骤 窗函数法设计的基本步骤如下2: 根据滤波器设计要求指标,确定滤波器的过渡带宽和阻带衰减要求,选择窗函数的类型并估
18、计窗的宽度N; 根据所要求的理想滤波器求出单位脉冲响应hd(n); 根据求得的h(n)求出频率响应H(ej); 根据频率响应验证是否满足技术指标。若不满足指标要求,则应调整窗函数类型或长度,然后重复、步,直到满足要求为止。2.2 FIR数字滤波器的设计和性能分析2.2.1 用MATLAB仿真工具进行滤波器设计设计一个系数对称的FIR低通滤波器,技术指标:通带截止频率p=0.5,阻带截止频率s=0.7,通带衰减不大于2dB,阻带衰减不小于40db, N=42,采样频率fs=16000Hz。 由于阻带衰减不小于40db,根据上一节对窗函数的介绍和从表2-1 六种窗函数的基本参数可以确定采用哪种窗函
19、数进行设计。本文选择采用汉宁窗来进行设计。表2-1 六种窗函数的基本参数窗函数旁瓣峰值/db近似过渡带宽 精确过渡带宽 阻带最小衰减/db矩形窗-134/N1.8/N-21三角形窗-258/N6.1/N-25汉宁窗-318/N6.2/N-44汉明窗-418/N6.6/N-53布莱克曼窗-5712/N11/N-74凯塞-贝赛窗-5710/N10/N-80可以根据以下两种方法获得满足该条件的滤波器系数及其幅频特性图。 一种是编写滤波器程序。根据窗函数设计理论h(n)=hd(n)w(n),在Matlab中用语句hn=hd*wd实现h(n)。最后,利用Matlab的数字信号处理工具箱中的freqz函数
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业设计 论文 FIR 数字滤波器 设计 实现
链接地址:https://www.31doc.com/p-3945696.html